Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Скажем проще: напряжения обеих обмоток пропорциональны числу витков:

Самоиндукция

Но я предвижу возникающий у тебя вопрос: чем вызывается напряжение первичной обмотки?

Так вот, здесь мы имеем падение напряжения, создаваемое не активным сопротивлением, которое обычно мало, а индуктивным сопротивлением обмотки. Это сопротивление порождается явлением самоиндукции, имеющим место в любой катушке, по которой протекает переменный ток. В чем заключается суть явления?

Я только что объяснил тебе, как, создавая изменяющееся магнитное поле, ток первичной обмотки наводит переменный ток во вторичной обмотке. Но кроме вторичной обмотки в этом изменяющемся магнитном поле находится еще одна катушка — сама первичная обмотка! Поэтому я надеюсь, что ты не удивишься, узнав, что первичная обмотка наводит ток не только в своей соседке — вторичной обмотке, но и в себе самой.

Явление самоиндукции вызывает увеличение сопротивления катушки; это происходит, потому что полупериоды наводимого переменного тока не совпадают с полупериодами индуктирующего тока: наведенный ток оказывается смещенным или, как говорят, сдвинутым по фазе. Именно это определяет сопротивление, которое называется индуктивным. Оно пропорционально частоте тока и индуктивности катушки. Эта последняя характеристика зависит исключительно от геометрических особенностей катушки: от количества и диаметра витков и от их взаимного расположения. Чем больше витков, чем больше их размеры и чем плотнее они расположены друг к другу, тем сильнее создающее ток магнитное поле воздействует на саму катушку и тем, следовательно, выше индуктивность.

Индуктивность пропорциональна квадрату числа витков. Удвой количество витков, и индуктивность увеличится в 4 раза.

Индуктивность измеряется в генри; принятое сокращенное название этой единицы Г. Следовательно, индуктивное сопротивление X_L (выражаемое, как и активное сопротивление, в омах) пропорционально произведению частоты f на индуктивность L. Эта зависимость выражается формулой

X_L = 2π·f·L,

где π = 3,14, как ты знаешь, численное выражение отношения окружности к диаметру.

Устройство гальванометра

Поскольку мы изучаем различные аспекты электричества, тесно связанные с магнетизмом, я позволю себе еще раз вернуться к использованию устройства, состоящего из магнита, между полюсами которого установлена катушка; последняя укреплена на оси и свободно вращается.

Мы уже видели, что при вращении катушки в ней возникает переменный ток; в этом случае наше устройство выступает в роли генератора переменного тока. Если мы, наоборот, пропустим через катушку переменный ток, то она начнет вращаться. Так работает электрический двигатель.

А теперь предположим, что эта катушка подвешена на эластичной проволочке и укреплена на оси с двумя точками опоры: одна сзади, а другая спереди. В этих условиях катушка уже не может совершить, несколько оборотов, так как это привело бы к чрезмерному скручиванию проволочки-подвески. Следовательно, это уже не двигатель. Но предположим, что мы пропускаем через катушку постоянный ток. Намагниченная таким образом катушка стремится повернуться. В зависимости от эластичности проволочки-подвески и, что самое главное, в зависимости от силы тока угол поворота катушки будет больше или меньше.

Теперь ты, несомненно, догадываешься, что это превосходное средство для измерения силы тока. Для этой цели на оси катушки укрепляют стрелку, а позади стрелки устанавливают шкалу с соответствующими делениями. Таким образом, мы построили гальванометр (рис. 19). Если его шкала отградуирована в амперах, то это амперметр. Прибор для измерения малых токов называется миллиамперметром или микроамперметром.

Рис. 19. В гальванометре катушка, по которой протекает измеряемый ток, расположена в поле электромагнита; она может вращаться вокруг горизонтальной оси.

Измерительные приборы

Таким образом можно сделать и прибор для измерения напряжения. Для этой цели последовательно с катушкой включают резистор R. При подключении такого прибора к двум точкам цепи, между которыми надлежит измерить напряжение, через наш гальванометр протекает ток, величина которого по закону Ома равна частному от деления напряжения на сумму омических сопротивлении резистора R и катушки. Шкала в этом случае отградуирована непосредственно в вольтах, милливольтах или микровольтах; в зависимости от единицы измерения мы получим вольтметр, милливольтметр или микровольтметр.

Гальванометр позволяет также измерять величину переменного тока и переменного напряжения (рис. 20).

Рис. 20. Схемы вольтметров, измеряющих постоянное (а) и переменное (б) напряжения.

Для этой цели прибор должен оснащаться выпрямителем, преобразующим переменный ток в постоянный. В другой раз я объясню тебе принцип работы такого выпрямителя.

Я не могу позволить себе остановиться на этом. Ведь я объяснил тебе, как измеряют величину тока и напряжения. И у тебя, дорогой Незнайкин, должен возникнуть вопрос, каким образом измерить третью величину, входящую в формулу закона Ома: сопротивление. Нет ничего проще. Для этой цели гальванометр нужно дополнительно оснастить батареей с известным и очень стабильным напряжением и включить ее последовательно с подвижной катушкой гальванометра (рис. 21).

Рис. 21. Омметр, измеряющий сопротивление резистора R.

При подключении этого прибора к измеряемому сопротивлению по подвижной катушке протекает ток, величина которого обратно пропорциональна измеряемому сопротивлению. Поэтому шкалу такого омметра можно отградуировать непосредственно в омах.

Однако теперь, мой дорогой Незнайкин, я чувствую, что ты устал. Поэтому я заканчиваю свой рассказ. Тем не менее я хочу добавить, что существует множество комбинированных измерительных приборов, в которых гальванометр можно включать с резисторами разных номиналов не только последовательно, но и параллельно (чтобы отвести от подвижной катушки большую или меньшую часть тока), с выпрямителем, а также с батареей. Такими приборами можно измерить токи, напряжения и сопротивления.

Беседа четвертая

ЕМКОСТЬ И ЕМКОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Двое наших друзей знакомятся с любопытным поведением конденсаторов, включенных в цепь постоянного или переменного тока. Они рассматривают устройство конденсаторов постоянной и переменной емкости, выводят формулу емкостного сопротивления конденсатора, включенного в цепь переменного тока, в зависимости от его емкости и частоты тока.

Заряд конденсатора

Любознайкин. — Прошлый раз мы говорили с тобой о магнетизме. А мой дядюшка Радиоль рассказал тебе о различных свойствах и применении магнетизма. Теперь мы вернемся к изучению электрических полей.

Незнайкин. — Я думаю, что благодаря аналогии, существующей между электричеством и магнетизмом, изучить эту тему будет легче. В этих двух областях физики действует один и тот же закон притяжения разноименных зарядов и отталкивания одноименных. А силы, действующие в обоих этих случаях, обратно пропорциональны квадрату расстояния.

Л. — Твоя изумительная память облегчит мой рассказ о емкости. Так называют способность конденсатора накапливать больший или меньший заряд положительного или отрицательного электричества. Ты, разумеется, понимаешь, что этот заряд в основном зависит от размеров этого конденсатора (рис. 22).

Рис. 22. Емкость проводника, позволяющая ему накапливать электрические заряды.

Н. — А какой единицей пользуются для измерения емкости?

Л. — Единица измерения емкости называется фарадой. Однако фарада — это очень большая емкость. Поэтому на практике обычно пользуются долями этой единицы, чаще всего миллионной долей, именуемой микрофарадой, миллионными долями микрофарады — пикофарадами. Фарада обозначается буквой Ф, а ее названные доли соответственно мкФ и пФ.

Н. — Какой емкостью в этих условиях обладает сферический проводник размером с яблоко?

Л. — Совершенно ничтожной. Вообрази себе сферический проводник размерами с земной шар — его емкость была бы всего лишь 700 мкФ (рис. 23).

Рис. 23. Собственная емкость сферического проводника размером с земной шар составляет 700 мкФ.

Рождение конденсатора

Н. — Я констатирую для себя, что емкость нечто столь ничтожное, что она не должна играть важной роли в электронике.

Л. — Мой друг, ты ошибаешься, так как существует вполне доступный способ увеличить емкость или, чтобы быть более точным, сконденсировать ее.

Н. — Я не вижу, как достичь этой цели без увеличения размеров проводника.

Л. — Очень просто, достаточно приблизить к нему, но без касания, другой проводник с зарядом противоположной полярности. Что происходит в этом случае? Противоположные заряды испытывают взаимное притяжение, в результате чего величина заряда возрастает.

Н. — Совсем неглупо! Но как поступают на практике для достижения этой цели?

Л. — Два проводника, расположенные близко друг к другу, образуют устройство, известное под названием конденсатора, каждый из проводников называется обкладкой. Представь себе, например, две квадратные медные пластины, расположенные одна параллельно другой на небольшом расстоянии. А теперь подключим каждую из этих обкладок к полюсам батарей. Что же здесь произойдет?

Н. — Я думаю, электроны с отрицательного полюса устремятся к подключенной к нему обкладке и зарядят ее отрицательно (рис. 24).

Рис. 24. При подключении конденсатора к гальваническому элементу соединенная с отрицательным полюсом обкладка заряжается электронами, а другая лишается электронов.

И этот заряд оттолкнет электроны с расположенной напротив обкладки и направит их в сторону положительного полюса батареи, который их как раз и притянет. Любопытное явление! Протекает настоящий ток, как если бы между полюсами батареи был включен проводник, а ведь на самом-то деле конденсатор изолирует один проводник от другого.

Заряд и разряд

Л. — Зарядный ток, который ты так хорошо описал, останавливается, как только конденсатор зарядится. Вначале этот ток имеет большую величину. Но по мере нарастания заряда движение электронов затрудняется, так как обосновавшиеся на отрицательной обкладке электроны отталкивают те, которые хотят туда проникнуть. А электронов, покидающих положительную обкладку, становится все меньше.

Н. — А что произойдет, если после того, как конденсатор полностью зарядится, мы отключим батарею?

Л. — Очень просто, заряд останется на обкладках. При желании ты можешь разрядить конденсатор, подключив к его обкладкам резистор или простой проводник (рис. 25). Тогда избыточные электроны с одной из обкладок перейдут на другую; это движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока не установится равновесие.

Рис. 25. Конденсатор, разряжающийся через резистор.

Н. — У меня возникает вопрос, нельзя ли сравнить конденсатор с двумя резервуарами, разделенными эластичной резиновой мембраной? Если насос повышает давление воздуха в одном из резервуаров и снижает в другом, то это соответствует заряду конденсатора. Насос останавливается, когда разница давлений достигает некоторого предела, который зависит от размера резервуаров и эластичности мембраны. Теперь наш конденсатор заряжен. Насколько обоснованно такое мое сравнение?